Comment la recharge rapide transforme le paysage de la recharge des véhicules électriques

La recharge rapide DC des véhicules électriques (VE) pourrait être la clé pour atténuer l'anxiété d'autonomie que beaucoup considèrent comme un frein à l'adoption des VE. Avec une infrastructure de recharge robuste permettant la charge de la batterie en 20 minutes au lieu de 4 heures, la recharge des VE se rapproche considérablement de l'expérience familière des conducteurs lors du ravitaillement d'un véhicule à moteur à combustion interne (MCI).

Cette infrastructure n'est pas encore pleinement développée mais elle croît et devient accessible à plus de véhicules. Plusieurs constructeurs de VE ont récemment adopté le connecteur de recharge Tesla, et Tesla domine actuellement le marché du déploiement de bornes de recharge rapide. Une étude commanditée par Sensience prévoit que la recharge rapide DC représentera plus de 70 % de la recharge publique mondiale d'ici 2030 (Figure 1).

Figure 1. Croissance projetée de la recharge rapide DC d'ici 2030. (Image : Sensience)

Si la recharge rapide pourrait débloquer la croissance du marché des VE, elle élève aussi la barre pour la gestion thermique sur toute la chaîne de recharge des VE. Les bornes de recharge rapide DC délivrent entre 50 et 350 kW, contre 7 à 19 kW typiques pour les bornes de niveau 2. Même aux tensions plus élevées courantes avec la recharge rapide DC, ces bornes génèrent significativement plus de chaleur que les bornes de niveau 2. Une gestion thermique efficace devient donc plus critique que jamais pour prévenir les températures qui peuvent raccourcir la durée de vie de la batterie, réduire l'efficacité de charge et introduire des risques de sécurité.

Un composant de la gestion thermique efficace parfois négligé jusqu'à tard dans le processus de conception est la spécification des capteurs de température qui permettent aux systèmes de gestion de batterie et de véhicule de répondre rapidement et intelligemment aux changements de température sur toute la chaîne de recharge du véhicule.

Le rôle des capteurs de température dans la chaîne de recharge VE

Les capteurs sont utilisés à travers toute la chaîne de recharge. L'application la plus évidente est dans la batterie elle-même où la gestion thermique est de la plus haute priorité. Le placement des capteurs dans la batterie sera déterminé par la conception et la taille de la batterie, mais un seul capteur s'avérera généralement inadéquat car il peut ne pas détecter les zones chaudes qui peuvent se développer dans les cellules ou modules pendant la recharge rapide. Idéalement, on veut la capacité de surveiller directement les températures des cellules de batterie à plusieurs emplacements et de comprendre la distribution de chaleur dans l'ensemble du pack.

Le chargeur embarqué représente un environnement plus simple mais tout aussi critique pour les capteurs de température, car la surveillance des capteurs déclenche les systèmes de refroidissement nécessaires pour gérer la chaleur pendant la recharge rapide. Comme il y a moins de variabilité de température à travers le composant, moins de capteurs sont requis.

Le port de recharge du véhicule est une autre application importante pour les capteurs de température dans la chaîne de recharge. Les capteurs de température sont utilisés à la fois dans l'entrée de recharge du véhicule et dans le pistolet de recharge pour surveiller les températures des broches électriques. Cette rétroaction fournit un arrêt de sécurité en cas de phénomènes indésirables causés par des dommages ou contamination sur les broches. Pendant la recharge rapide, les températures peuvent être les plus élevées à l'entrée de recharge, et une attention particulière doit être portée aux spécifications des capteurs utilisés dans cette application.

Tout aussi importants sont les capteurs intégrés au système de refroidissement qui protège la batterie, le chargeur embarqué et l'électronique de puissance de la surchauffe. Les systèmes de refroidissement intelligents intégrés aux VE ne sont efficaces que dans la mesure où les capteurs qui les supportent le sont.

Spécification des capteurs pour la chaîne de recharge VE

Un haut degré de précision est essentiel dans toute application de détection de température mais est particulièrement important dans la chaîne de recharge VE en raison de la fenêtre de température étroite dans laquelle les batteries peuvent être chargées à leur vitesse maximale. Une faible précision du capteur peut réduire l'efficacité de charge car la charge peut devoir être ralentie pour compenser la marge d'erreur du capteur même si les températures réelles sont dans la plage souhaitée. Des capteurs de haute précision réduisent le degré auquel les systèmes du véhicule doivent tenir compte de l'imprécision du capteur et peuvent permettre une charge plus rapide pendant de plus longues périodes.

Une autre caractéristique critique des capteurs de température pour VE est le temps de réponse — le temps entre la mesure de la température et sa communication pour action. Différents types de capteurs ont des caractéristiques de réponse différentes et, au sein de chaque type, le temps de réponse peut être optimisé par la configuration du capteur.

Par exemple, dans les thermistances NTC (coefficient de température négatif), un corps métallique permet une réponse plus rapide qu'un corps plastique grâce à sa conductivité accrue ; cependant, le corps métallique augmente les coûts du capteur et ces coûts doivent être mis en balance avec la valeur d'une réponse plus rapide dans une application particulière. Lorsque les températures ne sont pas très élevées ou sont gérées par un système de refroidissement, comme c'est le cas dans les composants clés de la chaîne de recharge VE, augmenter les coûts pour obtenir le temps de réponse le plus rapide possible peut ne pas être justifié. L'exception est l'entrée de recharge, où l'optimisation du temps de réponse doit être considérée comme une priorité plus élevée.

L'autre facteur à considérer dans le choix du capteur est la maintenabilité — ou son absence. Les capteurs sont généralement conçus dans la chaîne de recharge VE d'une manière qui rend leur remplacement impraticable en cas de défaillance. Tout le composant devra être remplacé si un capteur échoue. Cela fait de la fiabilité l'attribut le plus important pour les capteurs de température utilisés sur toute la chaîne de recharge VE.

Heureusement, bien que les applications des capteurs de température soient différentes dans les VE par rapport aux MCI, les technologies de capteurs utilisées sont similaires. Les processus de fabrication pour ces technologies sont matures et ont bénéficié de l'automatisation qui permet une qualité constante. Les processus de test et d'étalonnage sont également bien compris et peuvent aider à garantir une fiabilité et une performance prévisibles dans cette application.

Évaluation des technologies de détection pour la chaîne de recharge VE

Figure 2. Le placement des capteurs est particulièrement important dans les batteries VE car les températures peuvent varier à travers la batterie.

Trois technologies de détection de température sont généralement envisagées pour les VE : thermocouples, thermistances NTC, et détecteurs de température à résistance (RTD).

• Thermocouples : Génèrent une petite tension proportionnelle au changement de température. Généralement peu coûteux mais mal adaptés à la chaîne de recharge VE. Risques de sécurité pour les ingénieurs de test en environnements haute tension comme les batteries VE, précision compromise par le bruit électrique, temps de réponse plus lent que requis.
• Thermistances NTC : La résistance diminue quand la température augmente. Bonne précision dans un format compact permettant l'intégration dans des espaces restreints. Temps de réponse et courbe résistance-température configurables pour une large gamme d'exigences, y compris celles des différents composants de la chaîne de recharge. Solution idéale car configurable efficacement et éprouvée dans l'automobile depuis des décennies.
• RTD : La résistance augmente avec la température. Généralement meilleure précision et plage de fonctionnement plus large que les NTC ; mais plus chers, et les avantages n'apportent généralement pas de valeur ajoutée dans les applications de chaîne de recharge VE. Sous la pression constante de réduction des coûts, les concepteurs peuvent trouver la performance requise à moindre coût avec les thermistances NTC.

Concevoir pour la précision et la fiabilité

Avec la recharge rapide de plus en plus courante, une détection de température précise et fiable sur toute la chaîne de recharge restera critique même à mesure que les technologies de batteries évoluent. La clé pour une intégration efficace et rentable des capteurs de température dans les nouveaux designs est de développer les spécifications et de choisir un fournisseur pendant le développement du prototype. Cela permet des processus plus rationalisés, aide à garantir que les capteurs répondent aux exigences de l'application de façon rentable, et atténue le risque que des modifications soient nécessaires lors du passage du prototype à la production.

Cet article a été écrit par Phil Thibodeau, Responsable Produit Transport, Sensience (Westerville, OH). Pour plus d'informations, visitez ici.